JP2009117551A - 半導体レーザ素子及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体を活性層とする半導体レーザ素子において、活性層を加工することなく利得結合型ＤＦＢ構造を得ることができる半導体レーザ素子及びその作製方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１０は、III−Ｖ族化合物半導体を含むｎ型半導体基板２１と、半導体基板２１上に設けられたｎ型クラッド層１１と、活性層１５を有しｎ型クラッド層１１上に設けられた半導体積層部１２と、半導体積層部１２上に設けられたｐ型クラッド層１３とを備える。半導体積層部１２は、所定波長に応じた周期で活性層１５に沿って配列されており活性層１５が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域１８を有する。活性層１５は、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる。複数の光吸収領域１８は、実質的にＡｌを含まないIII−Ｖ族化合物半導体からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその作製方法に関するものである。

特許文献１には、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子において、活性層に形成された回折格子の凹部をクラッド層より屈折率が大きい埋込層によって埋め込み、活性層の回折格子の凸部および埋込層をクラッド層で覆う技術が記載されている。これにより、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に同相で生じさせている。
特開２００４−５５７９７号公報

特許文献１に記載されたＤＦＢレーザ素子では、活性層をエッチングすることにより回折格子を形成している。この場合、回折格子を形成する工程において活性層が露出し、活性層表面が酸化し易くなる。酸化によるレーザ特性への影響が少ない半導体（例えばＧａＩｎＡｓＰ）を活性層とする場合には問題ないが、酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体（例えばＡｌＧａＩｎＡｓ）を活性層とする場合には、特許文献１に記載された構成を採用できない。更に、回折格子を形成する際にエッチングによる微細加工を活性層に施す必要があるので、この微細加工により活性層がダメージを受け、非発光再結合が増加してレーザ特性が劣化するおそれがある。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体を活性層とする半導体レーザ素子において、活性層を加工することなく利得結合型ＤＦＢ構造を得ることができる半導体レーザ素子及びその作製方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、III−Ｖ族化合物半導体を含む第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に設けられた第１導電型クラッド層と、活性層を有し第１導電型クラッド層上に設けられた半導体積層部と、半導体積層部上に設けられた第２導電型クラッド層とを備え、半導体積層部が、所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列されており活性層が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域を更に有し、活性層が、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、複数の光吸収領域が、実質的にＡｌを含まないIII−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする。

上記した半導体レーザ素子の活性層は組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、酸化によるレーザ特性への影響が大きい。上記した半導体レーザ素子では、活性層が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域が、出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列されている。これにより、光導波方向における光吸収特性が周期的に変化する。その結果、利得も周期的に変化し、利得結合型ＤＦＢレーザ素子を好適に実現できる。また、このような光吸収領域を形成する際には、活性層の加工を必要としない。すなわち、この半導体レーザ素子によれば、活性層を加工することなく利得結合型ＤＦＢ構造を容易に得ることができる。

また、半導体レーザ素子は、複数の光吸収領域の間に、該複数の光吸収領域より低屈折率の中間半導体領域を更に備えることを特徴としてもよい。複数の光吸収領域の間が該光吸収領域より低屈折率の半導体によって埋め込まれることにより、活性層に沿う方向に周期的な屈折率分布を形成できる。これにより、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に生じさせ、これらの相乗効果（複素結合）によってより安定した単一モード動作、低しきい値電流動作を実現できる。

また、本発明による半導体レーザ素子の作製方法は、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子を作製する方法であって、III−V族化合物半導体を含む第１導電型の半導体基板上に第１導電型クラッド層を形成する第１のクラッド層形成工程と、活性層を有する半導体積層部を第１導電型クラッド層上に形成する積層部形成工程と、第２導電型クラッド層を半導体積層部上に形成する第２のクラッド層形成工程とを備え、積層部形成工程が、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を成長させて活性層を形成する活性層形成工程と、活性層が発する波長の光を吸収し且つ実質的にＡｌを含まないIII−Ｖ族化合物半導体を成長させたのち、該III−Ｖ族化合物半導体上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて該III−Ｖ族化合物半導体をエッチングすることにより、所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列された複数の光吸収領域を形成する光吸収領域形成工程とを含むことを特徴とする。

上記した半導体レーザ素子の作製方法では、活性層形成工程において組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を成長させて活性層を形成する。したがって、この活性層は酸化によるレーザ特性への影響が大きい。上記した作製方法では、光吸収領域形成工程において、出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列された複数の光吸収領域を形成する。これにより、作製された半導体レーザ素子において光導波方向における光吸収特性が周期的に変化する。その結果、利得も周期的に変化し、利得結合型ＤＦＢレーザ素子を好適に作製できる。また、光吸収領域形成工程では活性層の加工を必要としない。すなわち、この半導体レーザ素子の作製方法によれば、活性層を加工することなく利得結合型ＤＦＢ構造を容易に得ることができる。

また、半導体レーザ素子の作製方法は、積層部形成工程が、複数の光吸収領域同士の隙間を該複数の光吸収領域より低屈折率の半導体により埋め込む埋込工程を更に含むことを特徴としてもよい。複数の光吸収領域同士の隙間が該光吸収領域より低屈折率の半導体によって埋め込まれることにより、活性層に沿う方向に周期的な屈折率分布を形成できる。これにより、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に生じさせ、これらの相乗効果（複素結合）によってより安定した単一モード動作、低しきい値電流動作を容易に実現できる。

また、半導体レーザ素子の作製方法は、積層部形成工程が、複数の光吸収領域同士の隙間を半導体により埋め込む埋込工程と、複数の光吸収領域上および埋込工程において埋め込まれた半導体上に、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を成長させる工程とを更に含むことを特徴としてもよい。例えばリッジ導波路型のレーザ素子等を作製する際には、第２導電型クラッド層を半導体積層部が露出するまでエッチングすることによりストライプ状のリッジ構造を形成することがある。このような場合、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を、複数の光吸収領域上および埋込工程において埋め込まれた半導体上に成長させ、その上に第２導電型クラッド層を形成することによって、Ａｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる層が、第２導電型クラッド層をエッチングする際のエッチストップ層として機能する。したがって、第２導電型クラッド層にストライプ状のリッジ構造を容易に形成することができる。

また、半導体レーザ素子の作製方法は、積層部形成工程が、活性層形成工程と光吸収領域形成工程との間に、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を活性層上に成長させる工程を更に含むことを特徴としてもよい。これにより、光吸収領域形成工程においてIII−Ｖ族化合物半導体をエッチングする際に、活性層上に形成されたＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる層がエッチストップ層として機能する。したがって、光吸収領域形成工程の際に活性層までエッチングが達してしまうことを防止できる。

本発明に係る半導体レーザ素子及びその作製方法によれば、酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体を活性層とする半導体レーザ素子において、活性層を加工することなく利得結合型ＤＦＢ構造を得ることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子およびその作製方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す斜視断面図である。また、図２は、図１のII−II断面を示す側面断面図である。本実施形態の半導体レーザ素子１０は、所定波長のレーザ光を出力する。図１及び図２を参照すると、半導体レーザ素子１０は、主面２１ａを有するｎ型（第１導電型）半導体基板２１を備えている。ｎ型半導体基板２１はIII−Ｖ族化合物半導体を主に含み、一実施例としてはｎ型ＩｎＰからなる。

また、半導体レーザ素子１０は、ｎ型クラッド層１１、半導体積層部１２、ｐ型クラッド層１３、およびｐ型コンタクト層２７を備えている。ｎ型クラッド層１１はｎ型半導体基板２１の主面２１ａ上に設けられており、III−Ｖ族化合物半導体を主に含む。一実施例としては、ｎ型クラッド層１１はｎ型ＩｎＰからなる。ｎ型クラッド層１１の層厚は例えば２．０［μｍ］である。

半導体積層部１２は、第１光閉じ込め層１４、活性層１５、第２光閉じ込め層１６、および回折格子層１７を有しており、ｎ型クラッド層１１上に設けられている。第１光閉じ込め層１４は、ｎ型クラッド層１１上に設けられており、ｎ型クラッド層１１よりバンドギャップが狭いｎ型のIII−Ｖ族化合物半導体を主に含む。一実施例では、第１光閉じ込め層１４はｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる。第１光閉じ込め層１４の層厚は例えば７０［ｎｍ］である。

活性層１５は、第１光閉じ込め層１４上に設けられており、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる。一実施例としては、活性層１５は多重量子井戸構造を有しており、アンドープ（すなわち、不純物がドープされていない）ＡｌＧａＩｎＡｓからなる障壁層（バリア層）１５ａおよび井戸層１５ｂが交互に積層されて成る。障壁層１５ａの層厚は例えば９［ｎｍ］、井戸層１５ｂの層厚は例えば６［ｎｍ］である。第２光閉じ込め層１６は、活性層１５上に設けられており、ｐ型クラッド層１３よりバンドギャップが狭いｐ型のIII−Ｖ族化合物半導体を主に含む。一実施例では、第２光閉じ込め層１６はｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる。第２光閉じ込め層１６の層厚は例えば３０［ｎｍ］である。

回折格子層１７は、第２光閉じ込め層１６上に設けられている。回折格子層１７は、活性層１５に沿って配列された複数の光吸収領域１８と、複数の光吸収領域１８の上面、下面、および側面を埋め込むように形成されたキャリアストップ領域１９とを含んで構成されている。

複数の光吸収領域１８は、半導体レーザ素子１０が出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層１５に沿って配列されている。各光吸収領域１８は、活性層１５のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長と略同じＰＬ波長となる組成のIII−Ｖ族化合物半導体からなり、活性層１５が発する波長の光を吸収する。但し、光吸収領域１８の組成は実質的にＡｌを含んでおらず、その点で活性層１５の組成とは異なっている。一実施例では、光吸収領域１８はＧａＩｎＡｓＰからなる。また、活性層１５へ流れるキャリアを光吸収領域１８が吸収して発光しないように、光吸収領域１８にはＦｅ及びＲｕのうち少なくとも一方がドープされて半絶縁性となっている。Ｒｕをドープする場合、その好適な濃度は例えば２×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。また、Ｆｅをドープする場合、ｐ型ドーパントであるＺｎとの相互拡散を抑えるため、その好適な濃度はＲｕをドープする場合より小さく、例えば６×１０¹⁶［ｃｍ^-3］である。

本実施形態の複数の光吸収領域１８は、第２光閉じ込め層１６上において光導波方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、光導波方向に周期的に配列されている。光吸収領域１８の周期Λ（図２参照）は、出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が１５５０［ｎｍ］である場合には２４０［ｎｍ］に設定され、レーザ光の波長が１３００［ｎｍ］である場合には２００［ｎｍ］に設定される。各光吸収領域１８の層厚は例えば３０［ｎｍ］である。

キャリアストップ領域１９は、第２光閉じ込め層１６と複数の光吸収領域１８との間に設けられた下層半導体領域１９ａ、複数の光吸収領域１８同士の隙間に設けられた中間半導体領域１９ｂ、および複数の光吸収領域１８とｐ型クラッド層１３との間に設けられた上層半導体領域１９ｃを含む。下層半導体領域１９ａおよび上層半導体領域１９ｃは、組成中にＡｌを含むｐ型のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。また、中間半導体領域１９ｂは、光吸収領域１８より低屈折率のｐ型III−Ｖ族化合物半導体からなる。下層半導体領域１９ａ、中間半導体領域１９ｂおよび上層半導体領域１９ｃは同一組成のIII−Ｖ族化合物半導体によって構成されても良く、一実施例では、これらの半導体領域１９ａ〜１９ｃはｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる。下層半導体領域１９ａの層厚は例えば２０［ｎｍ］であり、中間半導体領域１９ｂの層厚は光吸収領域１８と同じ（例えば３０［ｎｍ］）であり、上層半導体領域１９ｃの層厚は例えば２０［ｎｍ］である。

ｐ型クラッド層１３は、半導体積層部１２上（具体的にはキャリアストップ領域１９の上層半導体領域１９ｃ上）に設けられており、ストライプ状のリッジ構造を有している。すなわち、ｐ型クラッド層１３はリッジ部１３ａを有しており、このリッジ部１３ａは光導波方向に沿って延びている。半導体レーザ素子１０においては、このリッジ部１３ａへの電流注入により生じる活性層１５内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。ｐ型クラッド層１３は、ｐ型のIII−Ｖ族化合物半導体を主に含む。一実施例としては、ｐ型クラッド層１３はｐ型ＩｎＰからなる。ｐ型クラッド層１３の層厚は例えば２．０［μｍ］である。

リッジ部１３ａの両側面は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂等の非導電性材料からなる埋込領域２４によって埋め込まれている。また、埋込領域２４とリッジ部１３ａの両側面との間には、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜２５が設けられている。本実施形態の絶縁膜２５は、リッジ部１３ａの両側面のほか、ｐ型クラッド層１３のリッジ部１３ａと他の部分との間から露出する上層半導体領域１９ｃの表面にも接している。更に、埋込領域２４および絶縁膜２５は、ｐ型クラッド層１３の他の部分も覆っている。

ｐ型コンタクト層２７は、ｐ型クラッド層１３のリッジ部１３ａ上に設けられており、高濃度のｐ型III−Ｖ族化合物半導体を主に含む。一実施例としては、ｐ型コンタクト層２７はｐ型ＧａＩｎＡｓからなる。ｐ型クラッド層１３の層厚は例えば５００［ｎｍ］である。

なお、リッジ部１３ａ上に設けられたｐ型コンタクト層２７の上には、図示しないアノード電極膜が設けられている。そして、このアノード電極膜とｐ型コンタクト層２７とがオーミック接触を成している。また、ｎ型半導体基板２１の主面２１ａとは反対側の裏面には、図示しないカソード電極膜が設けられている。そして、このカソード電極膜とｎ型半導体基板２１とがオーミック接触を成している。

続いて、図３〜図１３を参照しながら、本実施形態に係る半導体レーザ素子を作製する方法における主要な工程について説明する。なお、図３〜図１０は光導波方向に沿った側面断面を示しており、図１１〜図１３は光導波方向と直交する断面を示している。

［第１のクラッド層形成工程］
まず、図３に示すように、III−Ｖ族化合物半導体を主に含むｎ型半導体基板５１上にｎ型クラッド層５２を形成する。ｎ型クラッド層５２の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、ｎ型半導体基板５１およびｎ型クラッド層５２はｎ型ＩｎＰからなる。

［積層部形成工程］
次いで、ｎ型クラッド層５２上に、活性層を有する半導体積層部を形成する。まず、図４に示すように、ｎ型クラッド層５２上に、ｎ型のIII−Ｖ族化合物半導体を主に含む第１光閉じ込め層５３を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、第１光閉じ込め層５３はｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる。このｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓの組成比は、そのＰＬ波長が活性層５４（後述）のＰＬ波長より小さくなるように決定される。一例としては、活性層５４のＰＬ波長が１．３［μｍ］である場合に、このｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓのＰＬ波長が１．１［μｍ］となるような組成比に決定される。

次に、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を第１光閉じ込め層５３上に成長させることにより、活性層５４を形成する（活性層形成工程）。活性層５４は、多重量子井戸構造を含み、交互に積層された複数の井戸層及び障壁層を有する。井戸層及び障壁層は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。一実施例としては、井戸層及び障壁層はアンドープＡｌＧａＩｎＡｓからなる。井戸層のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓの組成比は、当該半導体レーザ素子が出力しようとする所定波長付近にそのＰＬ波長が存在するように決定される。一例としては、そのＰＬ波長が１．３［μｍ］となるように決定される。

その後、活性層５４上に、ｐ型のIII−Ｖ族化合物半導体を主に含む第２光閉じ込め層５５を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、第２光閉じ込め層５５はｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる。このｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓの組成比は、前述した第１光閉じ込め層５３と同様に決定される。

続いて、回折格子層を形成する。まず、図５に示すように、III−Ｖ族化合物半導体を活性層５４上（本実施形態では第２光閉じ込め層５５上）に成長させることにより、下層半導体領域５６を形成する。このIII−Ｖ族化合物半導体は、組成中にＡｌを含むことが好ましい。一実施例としては、下層半導体領域５６はｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる。

次に、複数の光吸収領域を形成する（光吸収領域形成工程）。下層半導体領域５６上に、実質的にＡｌを含まないIII−Ｖ族化合物半導体を成長させることにより、半導体層５７を形成する。一実施例としては、半導体層５７はＲｕ及びＦｅの少なくとも一方がドープされた半絶縁性のＧａＩｎＡｓＰからなる。このＧａＩｎＡｓＰの組成比は、活性層５４が発する波長の光を吸収するように、すなわちそのＰＬ波長が活性層５４のＰＬ波長とほぼ一致するように決定される。一例としては、活性層５４のＰＬ波長が１．３［μｍ］である場合に、このＧａＩｎＡｓＰのＰＬ波長が１．３［μｍ］となるような組成比に決定される。なお、下層半導体領域５６及び半導体層５７の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。

続いて、複数の光吸収領域を形成するためのマスクを次のようにして半導体層５７上に形成する。まず、シリコン系無機化合物膜（例えばＳｉＯ_２）からなる絶縁膜５８を半導体層５７上に堆積する。この堆積は、例えば化学的気相成長法によって行われる。そして、このシリコン系無機化合物膜上にレジスト５９を塗布する。その後、周期的に配列された複数のパターンをレジスト５９に転写することにより、図６に示すレジストマスク６０を形成する。この工程において、レジストマスク６０は、図１および図２に示した複数の光吸収領域１８に対応するパターンを有するように形成される。レジストマスク６０の形成は、例えば、電子ビーム露光法、またはナノインプリント等のリソグラフィー技術を用いて行われる。

続いて、レジストマスク６０を用いて絶縁膜５８をエッチングする。このエッチングは、例えば、ＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチング等を用いることができる。なお、この工程においてレジストマスク６０と絶縁膜５８との選択比を確保するために、先の工程において絶縁膜５８の膜厚を２０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。エッチングの後に、例えばＯ_２アッシングによってレジストマスク６０を除去すると、図７に示すように光吸収領域を形成するための複数のマスクパターン６１が形成される。マスクパターン６１の配列周期は、図２に示した光吸収領域１８の周期Λと等しく設定される。すなわち、マスクパターン６１の配列周期は出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が１５５０［ｎｍ］である場合には２４０［ｎｍ］に設定され、レーザ光の波長が１３００［ｎｍ］である場合には２００［ｎｍ］に設定される。

続いて、マスクパターン６１を用いて半導体層５７をエッチングする。このエッチングの一例では、ＣＨ_４／Ｈ_２混合ガスを用いたＲＩＥが用いられる。この工程では、ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層５７を貫通するまでエッチングを行うが、ＧａＩｎＡｓＰとＡｌＩｎＡｓではエッチングレートに大きな差異があるため、ＡｌＩｎＡｓからなる下層半導体領域５６は殆どエッチングされない。すなわち、下層半導体領域５６は半導体層５７に対するエッチストップ層として機能する。この工程により、図８に示すように複数の光吸収領域６２が形成される。その後、ＲＩＥによる損傷層を除去ために、ウェットエッチングを行う。このウェットエッチングには、例えば硫酸系のエッチャントが用いられる。そして、マスクパターン６１を除去する。例えば、シリコン酸化物からなるマスクパターン６１はバッファードフッ酸を用いて除去される。

続いて、図９に示すように、複数の光吸収領域６２同士の隙間を光吸収領域６２より低屈折率の半導体により埋め込むことによって、中間半導体領域６３を形成する（埋込工程）。この埋込工程においては、複数の光吸収領域６２同士の隙間を、例えば下層半導体領域５６と同じ組成のIII−Ｖ族化合物半導体（一例ではｐ型ＡｌＩｎＡｓ）で埋め込むことにより、中間半導体領域６３を形成するとよい。この埋め込み再成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。その後、複数の光吸収領域６２上および中間半導体領域６３上に、III−Ｖ族化合物半導体を更に成長させることにより、上層半導体領域６４を形成する。このIII−Ｖ族化合物半導体は、組成中にＡｌを含むことが好ましい。一実施例としては、上層半導体領域６４は中間半導体領域６３と同じ組成のIII−Ｖ族化合物半導体（一例ではｐ型ＡｌＩｎＡｓ）からなり、その場合、上層半導体領域６４の成長を中間半導体領域６３の埋め込み再成長に引き続き連続して行うことができる。

以上の工程により、下層半導体領域５６、中間半導体領域６３、および上層半導体領域６４を含むキャリアストップ領域６５が形成される。これにより、キャリアストップ領域６５および複数の光吸収領域６２を有する回折格子層６６が形成され、第１光閉じ込め層５３、活性層５４、第２光閉じ込め層５５、および回折格子層６６を含む半導体積層部６７が完成する。

［第２のクラッド層形成工程］
続いて、図１０に示すように、半導体積層部６７上にｐ型のIII−Ｖ族化合物半導体を成長させることにより、ｐ型クラッド層６８およびｐ型コンタクト層６９を形成する。ｐ型クラッド層６８およびｐ型コンタクト層６９の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、ｐ型クラッド層６８はｐ型ＩｎＰからなり、ｐ型コンタクト層６９は高濃度ｐ型ＧａＩｎＡｓからなる。

続いて、図１１に示すように、ｐ型クラッド層６８およびｐ型コンタクト層６９にエッチングを施してストライプ状のリッジ構造を形成する。その方法の一例としては、まずＳｉＯ_２やＳｉＮといった絶縁膜を化学気相成長法によりｐ型コンタクト層６９上に堆積したのち、フォトリソグラフィー技術等によって絶縁膜上にストライプ状のマスクパターンを形成し、そのマスクパターンを用いて絶縁膜をエッチングする。その後、絶縁膜をエッチングマスクとしてＣＨ_４／Ｈ_２混合ガスを用いたドライエッチングをｐ型クラッド層６８およびｐ型コンタクト層６９に施すことにより、図１１に示すリッジ構造を形成できる。

そして、ドライエッチングにより生じた損傷層を除去するため、塩酸および酢酸の溶液を用いてウェットエッチングを施す。その際、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層６８が好適にエッチングされるが、ｐ型クラッド層６８をエッチングにより貫通した後に上層半導体領域６４が露出しても、ＡｌＩｎＡｓからなる上層半導体領域６４は殆どエッチングされない。すなわち、上層半導体領域６４はｐ型クラッド層６８をエッチングする際のエッチストップ層として機能する。この工程により、図１２に示すように上層半導体領域６４が露出し、図１に示したリッジ部１３ａに相当する部分（リッジ部６８ａ）が形成される。

その後、図１３に示すように、ｐ型コンタクト層６９の表面やリッジ部６８ａの側面、上層半導体領域６４の露出面等を覆うようにＳｉＯ_２からなる絶縁膜７０を堆積し、その上にＢＣＢ樹脂７１を塗布して平坦化したのち、リッジ部６８ａの上方に位置するＢＣＢ樹脂７１、及び絶縁膜７０に開口を形成する。そして、該開口を介してｐ型コンタクト層６９と接するアノード電極膜７２を蒸着し、更にカソード電極膜７３を半導体基板５１の裏面に蒸着することにより、本実施形態による半導体レーザ素子が完成する。

本実施形態による半導体レーザ素子１０およびその作製方法によって得られる作用効果について説明する。本実施形態の半導体レーザ素子１０のように活性層が組成中にＡｌを含む場合、活性層をエッチングすることは好ましくない。活性層をエッチングする際に活性層が酸化し、レーザ特性に影響してしまうからである。また、回折格子を形成する際の微細加工により活性層がダメージを受け、非発光再結合が増加してレーザ特性が劣化するおそれもある。

本実施形態の半導体レーザ素子１０およびその作製方法では、活性層１５が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域１８（６２）が、出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層１５（５４）に沿って配列される。これにより、光導波方向における光吸収特性が周期的に変化する。その結果、利得も周期的に変化し、利得結合型ＤＦＢレーザ素子を好適に実現できる。そして、このような光吸収領域１８（６２）を形成する際には、活性層１５（５４）の加工を必要としない。したがって、本実施形態の半導体レーザ素子１０およびその作製方法によれば、活性層１５（５４）を加工することなく利得結合型ＤＦＢ構造を容易に得ることができる。また、屈折率結合型のＤＦＢレーザでは安定した単一モード特性を得るために位相シフトを設ける必要があるが、本実施形態の半導体レーザ素子１０ではこのような位相シフトも不要である。

また、半導体レーザ素子１０およびその作製方法では、複数の光吸収領域１８（６２）の間に、複数の光吸収領域１８（６２）より低屈折率の中間半導体領域１９ｂ（６３）を設けている。これにより、活性層１５（５４）に沿う方向に周期的な屈折率分布を形成できる。したがって、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に生じさせ、これらの相乗効果（複素結合）によってより安定した単一モード動作、低しきい値電流動作を実現できる。特に、本実施形態のように光吸収領域１８（６２）をＧａＩｎＡｓＰにより形成し、中間半導体領域１９ｂ（６３）をＡｌＩｎＡｓにより形成すれば、両者間の大きな屈折率差によってより効果的な屈折率結合作用を得ることができる。

また、本実施形態のように、リッジ導波路型の半導体レーザ素子を作製する際には、ｐ型クラッド層６８を半導体積層部６７が露出するまでエッチングすることによりストライプ状のリッジ構造（リッジ部６８ａ）を形成することがある。このような場合、組成中にＡｌを含む上層半導体領域６４を複数の光吸収領域６２上および中間半導体領域６３上に成長させ、その上にｐ型クラッド層６８を形成することによって、Ａｌを含む上層半導体領域６４が、ｐ型クラッド層６８をエッチング（特に、損傷層除去の為の塩酸および酢酸の溶液によるウェットエッチング）する際のエッチストップ層として機能する。したがって、ｐ型クラッド層６８にストライプ状のリッジ構造を容易に形成することができる。

また、本実施形態のように、積層部形成工程は、活性層形成工程と光吸収領域形成工程との間に、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体（下層半導体領域５６）を活性層５４上に成長させる工程を含むとよい。これにより、複数の光吸収領域６２を形成する際に下層半導体領域５６がエッチストップ層として機能する。したがって、光吸収領域６２を形成する際に活性層５４までエッチングが達してしまうことを防止できる。

本発明による半導体レーザ素子およびその作製方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では組成中にＡｌを含む活性層の組成としてＡｌＧａＩｎＡｓを、実質的にＡｌを含まない光吸収領域の組成としてＧａＩｎＡｓＰを、組成中にＡｌを含む下層半導体領域および上層半導体領域の組成としてＡｌＩｎＡｓをそれぞれ例示したが、各層の組成はこれらに限られるものではなく、Ａｌを含む（或いは含まない）III−Ｖ族化合物半導体であれば様々な組成を適用できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す斜視断面図である。 図２は、図１のII−II断面を示す側面断面図である 半導体レーザ素子を作製する方法における第１のクラッド層形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、活性層形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、埋込工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における第２のクラッド層形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における第２のクラッド層形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における第２のクラッド層形成工程について説明する図である。 半導体レーザ素子を作製する方法における他の工程について説明する図である。

符号の説明

１０…半導体レーザ素子、１１，５２…ｎ型クラッド層、１２，６７…半導体積層部、１３，６８…ｐ型クラッド層、１３ａ，６８ａ…リッジ部、１４，５３…第１光閉じ込め層、１５，５４…活性層、１６，５５…第２光閉じ込め層、１７，６６…回折格子層、１８，６２…光吸収領域、１９，６５…キャリアストップ領域、１９ａ，５６…下層半導体領域、１９ｂ，６３…中間半導体領域、１９ｃ，６４…上層半導体領域、２１，５１…ｎ型半導体基板、２４…埋込領域、２５，５８，７０…絶縁膜、２７，６９…ｐ型コンタクト層、５７…半導体層、５９…レジスト、６０…レジストマスク、６１…マスクパターン、７１…ＢＣＢ樹脂、７２…アノード電極膜、７３…カソード電極膜。

Claims (6)

1. 所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、
   III−Ｖ族化合物半導体を含む第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられた第１導電型クラッド層と、
   活性層を有し前記第１導電型クラッド層上に設けられた半導体積層部と、
   前記半導体積層部上に設けられた第２導電型クラッド層と
   を備え、
   前記半導体積層部が、前記所定波長に応じた周期で前記活性層に沿って配列されており前記活性層が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域を更に有し、
   前記活性層が、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、
   前記複数の光吸収領域が、実質的にＡｌを含まないIII−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記複数の光吸収領域の間に、該複数の光吸収領域より低屈折率の中間半導体領域を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子を作製する方法であって、
   III−Ｖ族化合物半導体を含む第１導電型の半導体基板上に第１導電型クラッド層を形成する第１のクラッド層形成工程と、
   活性層を有する半導体積層部を第１導電型クラッド層上に形成する積層部形成工程と、
   第２導電型クラッド層を前記半導体積層部上に形成する第２のクラッド層形成工程と
   を備え、
   前記積層部形成工程が、
   組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を成長させて前記活性層を形成する活性層形成工程と、
   前記活性層が発する波長の光を吸収し且つ実質的にＡｌを含まないIII−Ｖ族化合物半導体を成長させたのち、該III−Ｖ族化合物半導体上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて該III−Ｖ族化合物半導体をエッチングすることにより、前記所定波長に応じた周期で前記活性層に沿って配列された複数の光吸収領域を形成する光吸収領域形成工程と
   を含むことを特徴とする、半導体レーザ素子の作製方法。
4. 前記積層部形成工程が、前記複数の光吸収領域同士の隙間を該複数の光吸収領域より低屈折率の半導体により埋め込む埋込工程を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
5. 前記積層部形成工程が、
   前記複数の光吸収領域同士の隙間を半導体により埋め込む埋込工程と、
   前記複数の光吸収領域上および前記埋込工程において埋め込まれた前記半導体上に、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を成長させる工程と
   を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
6. 前記積層部形成工程が、前記活性層形成工程と前記光吸収領域形成工程との間に、組成中にＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体を前記活性層上に成長させる工程を更に含むことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の作製方法。

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